Table of Contents

Растущий риск наводнений в ледниковом озере

Горные хребты по всей планете претерпевают глубокие преобразования, поскольку средние глобальные температуры продолжают расти. Среди наиболее заметных и последовательных изменений - быстрое отступление ледников и расширение ледниковых озер, которые формируются в их след. Эти озера, хотя часто и живописные, представляют растущую угрозу для сообществ, инфраструктуры и экосистем далеко вниз по течению. Когда естественные плотины, которые сдерживают их, терпят неудачу, результатом является Ледниковый потоп, явление, которое может высвободить миллионы кубических метров воды в течение нескольких часов. Понимание того, как повышение температуры изменяет ледниковые озера и усиливает риск наводнения, не является академическим упражнением. Это срочная практическая необходимость управления рисками, планирования землепользования и адаптации к климату в высокогорных регионах по всему миру.

Связь между повышением температуры и поведением ледниковых озер прямая и хорошо документирована десятилетиями полевых наблюдений и спутниковых данных. По мере потепления атмосферы ледники теряют массу с ускоряющейся скоростью. Таяние воды не просто исчезает. Она собирается в углублениях, промываемых льдом, за моренами и против скальных хребтов, образуя озера, которые могут расти до огромных размеров. То же потепление, которое создает эти озера, также дестабилизирует сами структуры, которые их содержат, увеличивая вероятность катастрофических событий дренажа. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) определила ГЛОФы как значительную криосферную опасность с растущей вероятностью при продолжающемся потеплении, а исследования в Гималаях, Андах, Альпах и североамериканских Кордильерах подтверждают, что и количество, и объем ледниковых озер растут беспрецедентными темпами.

Последствия этого распространяются далеко за пределы непосредственной близости от ледников. Воды ГЛОФ быстро перемещаются по крутым долинам, собирая осадки и мусор, и могут разрушать мосты, дороги, гидроэнергетические объекты и целые поселения. Наводнение 2022 года на севере Пакистана, вызванное вспышкой ледникового озера в сочетании с экстремальными осадками, вызвало широкомасштабные разрушения и подчеркнуло сложный характер этих опасностей. Поскольку глобальные температуры продолжают расти, необходимость надежного мониторинга, прогностического моделирования и активного смягчения никогда не была более критической.

Как потепление температуры приводит к образованию и росту ледниковых озер

Формирование ледникового озера начинается, когда ледник отступает, оставляя после себя впадину в ландшафте. Эта впадина часто ограничена мореной, хребтом неконсолидированных пород и осадка, которые ледник ранее толкал перед собой или откладывал по бокам. В этой впадине собирается талая вода от отступающего ледника, и рождается озеро. По мере того, как ледник продолжает тонуть и отступать, озеро часто расширяется, иногда сливаясь с прилегающими водоемами, чтобы стать единым большим резервуаром воды, расположенным высоко в горах.

Повышение температуры ускоряет этот процесс несколькими способами. Во-первых, более теплый воздух увеличивает скорость поверхностного таяния ледникового льда. Во-вторых, он продлевает продолжительность сезона таяния, давая воде больше времени для накопления. В-третьих, он может вызвать таяние зарытого льда в моренах, заставляя их спадать и ослабевать. В-четвертых, повышение температуры способствует деградации вечной мерзлоты в окружающей породе и моренном материале, снижая его стабильность и увеличивая вероятность оползней, которые могут вытеснять воду и надводные плотины.

Механика ледника отступает

Ледники — чувствительные индикаторы изменения климата. Их массовый баланс, разница между накоплением от снегопада и потерей от таяния и отела, быстро реагирует на сдвиги температуры и осадков. За последние полвека подавляющее большинство ледников за пределами полярных регионов испытали отрицательный массовый баланс, то есть теряют больше массы, чем получают каждый год. Этот чистый убыток приводит к истончению ледника и отступлению к концу, оба из которых создают благоприятные условия для образования озер.

По мере того, как ледник истончается, его поверхность опускается, а наклон ледяной поверхности часто становится более мелким. Это снижает движущую нагрузку, которая перемещает ледник вниз, вызывая застой льда. Застойный лед особенно склонен к развитию поверхностных углублений и талых водоемов. Эти водоемы могут сливаться в более крупные озера, особенно там, где основная топография нерегулярна. Процесс самоподкрепляется, потому что открытая вода поглощает больше солнечного излучения, чем лед или снег, явление, известное как обратная связь альбедо. Темные поверхности озера нагреваются быстрее и еще больше ускоряют таяние льда вокруг них, особенно вдоль краев озера, где ледяные скалы могут откалываться непосредственно в воду.

Типы ледниковых озер и их восприимчивость

Не все ледниковые озера представляют одинаковый уровень риска. Наиболее опасным типом является озеро, заглушенное мореной, которое сдерживается неконсолидированным хребтом дождевой и обломков. Морейнские плотины по своей природе являются слабыми структурами. Они часто крутые, плохо отсортированные и могут содержать зарытые льды, которые тают с течением времени, создавая внутренние пустоты и снижая прочность. Морейнские озера составляют большинство исторических событий ГЛОФ и распространены в Гималаях, Андах и прибрежных горах Северной Америки.

Ледяные озера образуются, когда сам ледник действует как плотина, блокируя притоковую долину или боковой дренаж. Эти озера имеют тенденцию к дренажу относительно часто, часто по годовому или многолетнему циклу, потому что ледяная плотина является подвижной и подверженной плаванию, когда давление воды строит. В то время как объем отдельных дренажей из ледяных озер может быть огромным, предсказуемость некоторых событий позволила общинам разработать стратегии преодоления. Тем не менее, внезапный выпуск воды из ледяного озера все еще может вызвать серьезный ущерб, особенно если дренажный канал заблокирован обломками или если плотина выходит из строя катастрофически, а не постепенно.

Озера, заглубленные породой, хотя и более стабильные, чем их морские или ледяные аналоги, не могут считаться полностью безопасными. Глубинная плотина может выйти из строя, если лежащая в основе порода раздроблена, выветривается или подрезается эрозией. Оползни в заглушенные породой озера могут генерировать волны смещения, которые над плотиной, вызывая внезапные наводнения, даже если сама плотина не выходит из строя. ГЛОФ 2016 года, который разрушил часть деревни Гокио в Непале, был спровоцирован оползнем в озеро, заглушенное породой, отправив волну воды и мусора через поселение.

Понимание наводнений в ледниковом озере

Вспышка наледи происходит, когда вода, хранящаяся в ледниковом озере, внезапно и в большом объеме выделяется.Выбросы из ГЛОФ могут превышать нормальный речной поток на порядки, а волна наводнения может проходить десятки или даже сотни километров вниз по течению до ослабления. В отличие от обычных осадковых наводнений, ГЛОФ характеризуются чрезвычайно быстрым наступлением, высоким пиковым сбросом и транспортировкой огромного количества осадка, валунов и древесных обломков. Термин «вспышка» намеренно выбран для передачи внезапного и насильственного характера события.

Триггеры для Dam Failure

Конкретный триггер для ГЛОФ может широко варьироваться, но основным драйвером в большинстве случаев является прогрессирующее ослабление плотины из-за потепления.

  • Нарастание гидростатического давления: По мере повышения уровня воды в озере давление на плотину увеличивается.Если плотина не выдерживает давления, она может выйти из строя из-за трубопроводов, внутренней эрозии или перегрузки.
  • Преодоление волнами: Оползень, ледяная лавина или падение в озеро может вызвать волну смещения, которая нарастает над вершиной плотины. Даже если плотина остается нетронутой, перекрывающая вода может быстро разрушить нисходящую поверхность, что приводит к прорыву плотины.
  • Образование шипов и внутренняя эрозия: Вода может находить пути через материал плотины, создавая трубы, которые со временем увеличиваются. Как только труба образуется, поток может быстро увеличиваться, что приводит к катастрофическому отказу.
  • Мелтинг зарытого льда: В моренных плотинах зарытый лед может растаять и создавать пустоты, которые ослабляют плотину изнутри.Когда крыша такой пустоты разрушается, она может создать путь для прохождения воды через плотину.
  • Землетрясение трясёт: Сейсмические события могут дестабилизировать как плотину, так и окружающие её склоны.Даже умеренное землетрясение может спровоцировать оползень в озеро или напрямую повредить плотину морены.
  • Экстремальные осадки: Сильные осадки могут быстро поднять уровень озера и увеличить давление поры воды в плотине, уменьшая его силу сдвига и вызывая отказ.

Важно признать, что многочисленные механизмы запуска часто действуют в комбинации. Например, период жаркой погоды может растопить лед в морене, одновременно повышая уровень озера, и незначительное сейсмическое событие может затем обеспечить окончательный толчок к отказу. Сложность этих взаимодействий затрудняет прогнозирование и подчеркивает необходимость всестороннего мониторинга.

Физические характеристики событий GLOF

Как только ледниковая плотина озера выходит из строя, отток обычно следует характерной последовательности. Первоначально пробоина может быть небольшой, но она быстро увеличивается, поскольку убегающая вода разрушает материал плотины. Скорость сброса увеличивается экспоненциально, часто достигая максимума в течение нескольких минут до нескольких часов. Пик потоков от больших ГЛОФов может превышать 10 000 кубических метров в секунду, что сопоставимо со средним сбросом крупных рек, таких как Амазонка или Конго, но в гораздо более узком и крутом канале.

Волна паводка замедляется по мере того, как она входит в более широкую долину, но осадок и мусор, которые она несет, могут нанести такой же ущерб, как и сама вода. Валуны весом в несколько тонн могут быть транспортированы вниз по течению, а пойма может быть прочищена до основания в местах. Осадки осадка в более низкоградиентных участках могут изменять морфологию реки в течение десятилетий, влияя на стабильность канала, водные среды обитания и фундаменты инфраструктуры. Вниз по течению от ГЛОФ река может нести повышенные нагрузки осадка в течение многих лет, влияя на качество воды и хранение резервуаров.

Исторические и недавние события ГЛОФ

В исторических записях содержится множество примеров разрушительных ГЛОФ, многие из которых произошли в последние два десятилетия по мере ускорения потепления. Эти события дают ценные уроки о характере опасности и эффективности различных стратегий смягчения последствий.

2013 Кедарнатхский потоп, Индия

В июне 2013 года сочетание сильных муссонных осадков и ГЛОФ из озера Чорабари Таль в индийских Гималаях спровоцировало катастрофическое наводнение, которое убило тысячи людей и разрушило комплекс храма Кедарнатх. В то время как осадки были основным фактором, вспышка ледникового озера значительно усилила волну наводнения. Событие подчеркнуло уязвимость религиозных мест паломничества и туристической инфраструктуры, построенной на активных поймах в высокогорных долинах. После этого индийские власти ускорили усилия по картированию ледниковых озер и установке систем раннего предупреждения в наиболее уязвимых водосборных бассейнах.

Вспышка озера Шишпер 2022 года, Пакистан

В мае 2022 года ледник Шишпер в долине Хунза на севере Пакистана пережил всплеск, который временно затопил реку Хунза, создав большое озеро, затопившее лед. Когда озеро внезапно осушилось, образовавшийся в результате наводнения повредил несколько мостов, смыл участки автомагистрали Каракорум и затопил деревни вниз по течению. Событие произошло в период экстремальной жары, при этом температуры в регионе побили давние рекорды. Событие Шишпера продемонстрировало, как даже относительно небольшие ГЛОФы могут оказывать негабаритные воздействия в узких долинах, где критическая инфраструктура сосредоточена вдоль речных коридоров.

ГЛОФы в Андах и Альпах

Перуанские Анды имеют долгую и трагическую историю ГЛОФов, начиная с катастрофы в Уаразе в 1941 году, в которой взрыв из озера Палкакоча убил около 1800 человек. В ответ перуанские инженеры реализовали некоторые из самых амбициозных проектов по смягчению последствий ледниковых озер в мире, включая строительство дренажных туннелей и водосливов на высокогорных озерах. Альпы, напротив, испытали меньше катастрофических ГЛОФов, отчасти потому, что многие из их ледниковых озер меньше и лучше контролируются. Однако взрыв 2012 года из озера Ледникового д'Арсиньер во французских Альпах послужил напоминанием о том, что даже хорошо изученные регионы не защищены от этих опасностей. Швейцарские и австрийские исследователи разработали сложные модели для прогнозирования поведения ГЛОФ в альпийских долинах, и эти модели теперь адаптируются для использования в Гималаях.

Технологии мониторинга снижения рисков ГЛОФ

Эффективный мониторинг является краеугольным камнем любой стратегии по снижению риска ГЛОФ. Без своевременных и точных данных об условиях озера, целостности плотины и изменении динамики ледников невозможно идентифицировать наиболее опасные озера или выпускать предупреждения, которые дают общинам время для эвакуации. К счастью, недавние достижения в области дистанционного зондирования и наземных приборов значительно улучшили нашу способность наблюдать эти отдаленные и часто недоступные среды.

Дистанционное зондирование на основе спутников

Спутниковые снимки обеспечивают обзор ледниковых озер и их окрестностей с высоты птичьего полета, позволяя исследователям отслеживать изменения в площади озера, объеме и состоянии плотины с течением времени. Оптические датчики, такие как Landsat и Sentinel-2, использовались для создания глобальных запасов ледниковых озер и документировать их расширение в каждом крупном горном массиве. Радарные спутники, такие как Sentinel-1, могут обнаруживать изменения высоты поверхности и деформации плотины с миллиметровой точностью, предлагая раннее предупреждение о структурном ослаблении. Сочетание оптических и радиолокационных данных особенно мощно, поскольку позволяет контролировать даже через облачный покров, который распространен в горных регионах в сезон таяния.

Исследователи из Цюрихского университета и других учреждений разработали автоматизированные алгоритмы, которые могут обнаруживать новые озера или быстрые изменения в существующих с использованием спутниковых данных. Эти алгоритмы были развернуты в операционных системах раннего предупреждения в Непале, Бутане и Перу. Спутниковый мониторинг не ограничивается самими озерами. Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) может обнаруживать движения наклона вверх по течению озер, которые могут вызвать волны смещения, а тепловые инфракрасные датчики могут идентифицировать области зарытого льда, которые могут таять.

Наземные сенсорные сети

Спутниковые наблюдения дополняются наземными датчиками, которые обеспечивают высокочастотные данные в режиме реального времени. Датчики уровня воды, установленные на выходе из озер высокого риска, могут обнаруживать внезапные подъемы, указывающие на потенциальный отказ плотины. Тилтметры и тензометры, размещенные на плотинах морен, могут измерять деформацию, предшествующую нарушению. Сейсмометры в окружающем регионе могут обнаруживать вибрационную сигнатуру оползней или ледяных лавин, входящих в озеро. Автоматизированные метеорологические станции на больших высотах предоставляют данные о температуре, осадках и влажности, которые поступают в гидрологические модели, предсказывающие изменения уровня озера.

Проблема наземного мониторинга заключается в сложности и стоимости установки и обслуживания оборудования на высотах свыше 4000 м. В последние годы системы на солнечной энергии со спутниковой телеметрией стали более надежными и доступными по цене, однако они по-прежнему требуют периодического технического обслуживания квалифицированными специалистами. Во многих развивающихся странах международные партнерские отношения имеют важное значение для создания местного потенциала для эксплуатации и обслуживания этих сетей. Такие организации, как ИЦИМОД, разработали региональные инициативы в области мониторинга, которые способствуют обмену данными и стандартизации через национальные границы.

Системы раннего предупреждения

Системы раннего предупреждения для ГЛОФ интегрируют данные мониторинга с сетями связи для оповещения сообществ, находящихся ниже по течению, когда опасное событие неизбежно. Типичная система включает датчики на озере, линию передачи данных, центральный процессор, который оценивает поступающие данные, и сеть сирен или оповещений мобильных телефонов, которые могут достигать деревень на пути наводнения. Наиболее эффективные системы разработаны с помощью ввода сообщества для обеспечения понимания сигналов оповещения и того, что маршруты эвакуации известны и практикуются.

Непал был пионером в области раннего предупреждения ГЛОФ, с системами, установленными на озерах Цхо-Рольпа и Имджа в регионе Эвереста. Эти системы прошли несколько обновлений и предоставили ценные данные для проверки модели. Анализ системы Цо-Рольпа, опубликованный в журнале гидрологии, показывает, что время предупреждения, достижимое с помощью хорошо спроектированной сенсорной сети, обычно составляет от одного до трех часов, в зависимости от расстояния от озера до населенных пунктов. Хотя это может показаться коротким, в крутых гималайских долинах, где время в пути пешком медленное, даже один час предупреждения может означать разницу между жизнью и смертью для людей на пути немедленного наводнения.

Стратегии смягчения последствий для высокорисковых ледниковых озер

При мониторинге выявляется озеро, представляющее непосредственную угрозу, для снижения риска до приемлемого уровня могут потребоваться меры по смягчению последствий. Выбор мер зависит от характеристик озера, рельефа местности, наличия ресурсов и последствий как наводнения, так и самой работы по смягчению последствий. Ни один подход не подходит для всех ситуаций, и часто используется сочетание стратегий.

Инженерное дренаж и укрепление плотины

Наиболее распространенной мерой смягчения является контролируемое понижение уровня озера путем строительства выходного канала или дренажного туннеля. За счет уменьшения объема запасенной воды давление на плотину уменьшается, а потенциальный максимальный сброс паводка уменьшается, если происходит сбой. Выходные каналы обычно прорезаются через морскую плотину с помощью экскаваторов или, в чрезвычайно отдаленных местах, путем бурения и взрыва. Канал должен быть облицован эрозионно-стойким материалом, таким как горная рябь, чтобы предотвратить поток от вырубки в плотину и запуска сбоя во время строительства.

В некоторых случаях возможно установить систему сифонов, которая перетягивает воду через плотину, не требуя тяжелых раскопок. Сифоны являются более дешевым вариантом, но имеют ограниченную емкость и требуют регулярного обслуживания для предотвращения воздушных шлюзов и засорения льда. Более постоянным решением является дренажный туннель, пробитый через коренную породу или стабильный моренный материал, чтобы соединить озеро с долиной ниже. Самым известным примером является туннель на озере Палкакоча в Перу, завершенный в 1970-х годах, который опустил озеро на 20 метров и существенно снизил опасность наводнения в городе Хуараз.

Контролируемый штрих

Для ледяных озер, которые часто и непредсказуемо сливаются, контролируемое нарушение ледяной плотины может быть использовано для запуска дренажа в выбранное время, когда воздействие вниз по течению может быть сведено к минимуму. Этот подход требует тщательного планирования и мониторинга в режиме реального времени, поскольку сама операция по взлому несет риски. Взрывчатые вещества использовались в некоторых случаях для создания выемки в ледяной плотине, позволяя воде выходить постепенно, а не катастрофически. Однако использование взрывчатых веществ в ледниковых условиях является спорным из-за опасений по поводу экологического ущерба и непредсказуемого поведения льда.

Контролируемое нарушение было использовано со смешанным успехом в Норвегии, Исландии и канадских Скалистых горах.В Гренландии и Шпицбергене, где ледяные озера распространены, некоторые исследователи выступали за политику «управляемого отступления», в которой инфраструктура перемещается вдали от подверженных наводнениям районов, а не пытается контролировать сами озера.Этот подход признает, что в некоторых контекстах стоимость и риск смягчения последствий превышают выгоды, особенно в малонаселенных регионах.

Планирование адаптации и эвакуации на уровне общин

Не менее важным является подготовка общин к эффективному реагированию на наводнения. Адаптация на уровне общин предполагает работу с местными жителями для понимания их восприятия опасности, выявления безопасных путей эвакуации и убежищ и проведения учений, с тем чтобы реагирование стало автоматическим. Во многих районах Гималаев знания коренных народов о прошлых наводнениях интегрируются с научным мониторингом для создания гибридных систем раннего предупреждения, которые являются культурно приемлемыми и пользуются доверием людей, которые их используют.

Планирование эвакуации должно также учитывать возможность того, что ГЛОФ может происходить ночью, в плохую погоду или в то время, когда многие члены сообщества работают в отдаленных районах. Необходимы несколько каналов связи, включая сирены, громкоговорители, радио и сети мобильной связи. В случае предупреждения о наводнении люди должны знать, куда идти и что принести. Приюты, расположенные над зоной затопления, должны быть снабжены припасами, а уязвимые группы населения, такие как пожилые люди, инвалиды и дети, нуждаются в особом рассмотрении в процессе планирования.

Будущие прогнозы в связи с изменением климата

Климатические модели прогнозируют, что глобальные средние температуры будут продолжать расти до середины 21-го века, при этом наибольшее потепление произойдет на больших высотах. Даже при оптимистических сценариях криосфера стремится к дальнейшей потере льда. Количество ледниковых озер и общий объем воды, хранящейся в них, увеличится в большинстве горных регионов, по крайней мере, в течение следующих нескольких десятилетий. В конце концов, по мере того, как ледники сжимаются до точки, где они больше не поставляют значительную талую воду, некоторые озера могут стабилизироваться или даже сокращаться, но эта точка перегиба, вероятно, на десятилетия для большинства регионов.

Последствия для риска ГЛОФ вызывают озабоченность. Большее количество озер означает больше потенциальных источников наводнений. Большие озера означают большие потенциальные объемы наводнений. И более теплые условия будут продолжать ослаблять морены и ледяные плотины, которые содержат эти озера. Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде призвала к скоординированным международным усилиям по картированию, мониторингу и смягчению опасности ГЛОФ во всех высокогорных регионах, с особым акцентом на Гималаи, где плотность населения и уровень бедности повышают уязвимость.

Одним из наиболее сложных аспектов будущего управления рисками является появление новых озер в районах, где нет исторических записей о деятельности ГЛОФ. Сообщества, которые никогда не сталкивались с ледниковым наводнением, могут не знать об опасности и не готовы реагировать. Для охвата этих групп населения потребуются информационно-просветительские кампании и коммуникация по вопросам риска, а планирование землепользования должно ограничить новое строительство в районах, которые могут быть затоплены будущим ГЛОФ. Стоимость активного планирования намного ниже, чем стоимость восстановления после стихийного бедствия.

Вывод: Призыв к проактивному управлению рисками

Повышение температуры коренным образом изменяет отношения между ледниками, озерами и сообществами, расположенными ниже по течению. Расширение ледниковых озер и увеличение частоты вспышек наводнений являются одними из наиболее ощутимых и опасных последствий изменения климата в высокогорных регионах. Хотя проблемы являются существенными, существуют инструменты и знания, необходимые для их решения. Спутниковый мониторинг, наземные сенсорные сети, гидрологические модели, инженерные вмешательства и программы готовности сообществ продемонстрировали свою эффективность в снижении риска ГЛОФ.

Сейчас необходима политическая воля и финансовые обязательства по развертыванию этих инструментов в масштабе. Финансирование адаптации к изменению климата из таких источников, как Зеленый климатический фонд и двусторонние агентства по развитию, должно уделять первоочередное внимание снижению риска ГЛОФ в качестве инвестиций с высокой отдачей. Международное сотрудничество имеет важное значение, поскольку ледниковые озера не уважают национальные границы, а ГЛОФ, происходящий из одной страны, может нанести ущерб другой стране, расположенной ниже по течению. То же потепление, которое тает ледники, также открывает новые возможности для гидроэнергетики, туризма и добычи полезных ископаемых в высокогорных регионах, но эти события должны быть спланированы с полным пониманием опасности наводнений, которые их сопровождают.

Окно для действий сужается. По мере того, как температура будет расти, темпы расширения ледниковых озер будут расти, а число сообществ, подверженных риску, будет расти. Активные инвестиции в мониторинг и смягчение последствий сегодня спасут жизни, защитят инфраструктуру и сохранят экологическую целостность горных рек для будущих поколений. Наука ясна. Технология готова. Ответственность за действия лежит на всех нас.